(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリコン基板上に下部電極と、圧電薄膜と、上部電極とを有する圧電薄膜素子において、
前記圧電薄膜が一般式（Ｋ1-xＮａx）ＮｂＯ3（０＜ｘ＜１）で表されるアルカリニオブ酸化物系ペロブスカイト構造の薄膜で形成され、かつ、前記圧電薄膜の（００１）面方位への配向率が８０％以上であると共に、
前記圧電薄膜の圧電定数ｄ31の印加電界依存性を示す｜圧電定数ｄ31（印加電界７０ｋＶ／ｃｍ時）−圧電定数ｄ31（印加電界７ｋＶ／ｃｍ時）｜／｜圧電定数ｄ31（印加電界７０ｋＶ／ｃｍ時）｜の値が０.２０以下であることを特徴とする圧電薄膜素子。
【請求項２】
請求項１に記載の圧電薄膜素子において、前記下部電極に白金薄膜を用いていることを特徴とする圧電薄膜素子。
【請求項３】
請求項１または２に記載の圧電薄膜素子において、前記下部電極と前記圧電薄膜との間に、ＬａＮｉＯ3薄膜、ＮａＮｂＯ3薄膜、または（Ｋ1-xＮａx）ＮｂＯ3（０＜ｘ＜１）で表される前記圧電薄膜よりもｘが大きい（Ｋ，Ｎａ）ＮｂＯ3薄膜を有することを特徴とする圧電薄膜素子。
【請求項４】
請求項１〜３いずれかに記載の圧電薄膜素子を用いて構成され、前記下部電極と前記上部電極の間に、電圧検知手段が接続されたことを特徴とするセンサ。
【請求項５】
請求項１〜３いずれかに記載の圧電薄膜素子を用いて構成され、前記下部電極と前記上部電極の間に、電圧印加手段が接続されたことを特徴とするアクチュエータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は圧電薄膜を用いた圧電薄膜素子に関し、更に詳しくは、シリコン（Ｓｉ）基板上にアルカリニオブ酸化物系ペロブスカイト構造の圧電薄膜を有する圧電薄膜素子、それを用いたセンサ及びアクチュエータに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
圧電体は種々の目的に応じて様々な圧電素子に加工され、特に圧電素子に電圧を加えて変形を生じさせて動作させるアクチュエータや、逆に圧電素子の変形から発生する電圧から物理量を検知するセンサなどの機能性電子部品として広く利用されている。アクチュエータやセンサの用途に利用されている圧電体としては、優れた圧電特性を有する鉛系材料の誘電体、特にＰＺＴと呼ばれる一般式：Ｐｂ（Ｚｒ１−ｘＴｉｘ）Ｏ３で表されるＰＺＴ系のペロブスカイト型強誘電体がこれまで広く用いられており、通常個々の元素からなる酸化物を焼結することにより形成されている。
【０００３】
現在、各種電子部品の小型化、高性能化が進むにつれ、圧電素子においても小型化、高性能化が強く求められるようになった。しかしながら、従来からの製法である焼結法を中心とした製造方法により作製した圧電材料は、その厚みを薄くするにつれ、特に厚みが１０μｍ程度の厚さに近づくにつれて、材料を構成する結晶粒の大きさに近づき、結晶粒界の影響が無視できなくなる。そのため、特性のばらつきや劣化が顕著になるといった問題が発生し、それを回避するために、焼結法に変わる薄膜技術等を応用した圧電体の形成法が近年研究されるようになってきた。最近、シリコン基板上にスパッタリング法で形成したＰＺＴ薄膜が、高感度のジャイロセンサ（角速度センサ）用の圧電薄膜として実用化されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
一方、ＰＺＴから成る圧電焼結体や圧電薄膜は、鉛を６０〜７０重量％程度含有している。このため、環境への配慮から鉛を含有しない圧電体の開発が望まれている。
現在、様々な非鉛圧電材料が研究されているが、その中にニオブ酸カリウムナトリウム、一般式：（Ｋ１−ｘＮａｘ）ＮｂＯ３（０＜ｘ＜１）［以降、ＫＮＮとも記す］がある。ＫＮＮは、ペロブスカイト構造を有する材料であり、非鉛の材料としては比較的良好な圧電特性を示すため、非鉛圧電材料の有力な候補として期待されている。
【０００５】
ＫＮＮ焼結体は、ｘ＝０.５付近で優れた圧電特性を有する。また、シリコン基板ではなく、単結晶ＭｇＯ基板を用いて、エピタキシャル（究極的な高配向膜）なＫＮＮ薄膜を形成し圧電特性が良好な圧電薄膜が実現されたとの報告がある（非特許文献１参照）。
【０００６】
【特許文献１】特開２００５−２０３７２５号公報
【非特許文献１】T.Mino, S.Kuwajima, T.Suzuki, I.Kanno, H.kotera, and K.Wasa, Jpn. J. Appl. Phys., 46(2007), 6960
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記ＫＮＮの薄膜は、スパッタリング法、ＰＬＤ（レーザーアブレーション）法などの成膜方法でシリコン基板上への成膜が試されている。しかしながら、現状では、シリコン基板上のＫＮＮ薄膜は、圧電定数ｄ３１の値がＰＺＴ薄膜と比較して小さいため、ジャイロセンサなど高感度のセンサへの応用は実現できていない。
また、上記非特許文献１記載の圧電薄膜では、単結晶ＭｇＯ基板上にＫＮＮ薄膜を形成するが、単結晶ＭｇＯ基板は非常に高価であり、コスト面を考慮すると実用化は困難である。
【０００８】
本発明は、上記課題を解決し、ジャイロセンサなどに適用可能な性能を持つ、シリコン基板上にＫＮＮ薄膜を形成した圧電薄膜素子、それを用いたセンサ及びアクチュエータを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するために、本発明は次のように構成されている。
【００１０】
本発明の第１の態様は、シリコン基板上に下部電極と、圧電薄膜と、上部電極とを有する圧電薄膜素子において、前記圧電薄膜が一般式（Ｋ1-xＮａx）ＮｂＯ3（０＜ｘ＜１）で表されるアルカリニオブ酸化物系ペロブスカイト構造の薄膜で形成され、かつ、前記圧電薄膜の（００１）面方位への配向率が８０％以上であると共に、前記圧電薄膜の圧電定数ｄ31の印加電界依存性を示す｜圧電定数ｄ31（印加電界７０ｋＶ／ｃｍ時）−圧電定数ｄ31（印加電界７ｋＶ／ｃｍ時）｜／｜圧電定数ｄ31（印加電界７０ｋＶ／ｃｍ時）｜の値が０.２０以下であることを特徴とする圧電薄膜素子である。
【００１２】
本発明の第２の態様は、第１の態様の圧電薄膜素子において、前記下部電極に白金薄膜を用いていることを特徴とする。
【００１３】
本発明の第３の態様は、第１または第２の態様の圧電薄膜素子おいて、前記下部電極と前記圧電薄膜との間に、ＬａＮｉＯ3薄膜、ＮａＮｂＯ3薄膜、または（Ｋ1-xＮａx）ＮｂＯ3（０＜ｘ＜１）で表される前記圧電薄膜よりもｘが大きい（Ｋ，Ｎａ）ＮｂＯ3薄膜を有することを特徴とする。
本発明の第４の態様は、第１〜第３の態様いずれかに記載の圧電薄膜素子を用いて構成され、前記下部電極と前記上部電極の間に、電圧検知手段が接続されたことを特徴とするセンサである。
本発明の第５の態様は、第１〜第３の態様いずれかに記載の圧電薄膜素子を用いて構成され、前記下部電極と前記上部電極の間に、電圧印加手段が接続されたことを特徴とするアクチュエータである。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、圧電定数ｄ31の印加電界依存性を小さく抑えることによって、低電界印加時の圧電定数ｄ31の値を大幅に増加でき、ジャイロセンサなどに適用可能な性能を持つ、シリコン基板上にＫＮＮ薄膜を形成した圧電薄膜素子、それを用いたセンサ及びアクチュエータが得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
上述した通り、現状のシリコン基板上のＫＮＮ圧電薄膜は、ジャイロセンサに応用するには、圧電定数ｄ３１の値が不足している。通常、圧電薄膜の圧電定数ｄ３１は、低電界印加時には低い値であり、高電界印加時には低電界印加時よりもかなり高い値となる。つまり、通常、圧電定数ｄ３１は、大きな印加電界依存性（印加電界の増加に対して圧電定数ｄ３１が大きく増加する傾向（大きな傾きを持つ））を有する。
圧電薄膜をジャイロセンサとして用いる場合、実は、低電界印加時の圧電定数ｄ３１の値が小さいことが、センサ感度を低くしてしまっていた。しかし、従来は、圧電定数ｄ３１の印加電界依存性は本質的な現象であり、対策ができないと考えられていた。
ところが、本発明者らは、シリコン基板上のＫＮＮ薄膜の結晶を（００１）面方位に高配向に揃えて行く試みなどを通じて、圧電定数ｄ３１の印加電界依存性が小さいＫＮＮ圧電薄膜を実現した。これら圧電定数ｄ３１の印加電界依存性が小さいＫＮＮ圧電薄膜を検討した結果、圧電定数ｄ３１の印加電界依存性を示す｜圧電定数ｄ３１（印加電界７０ｋＶ／ｃｍ時）−圧電定数ｄ３１（印加電界７ｋＶ／ｃｍ）｜／｜圧電定数ｄ３１（印加電界７０ｋＶ／ｃｍ）｜の値を０.２０以下に設定することによって、圧電定数ｄ３１、特に低電界印加時の圧電定数ｄ３１の値を従来と比較して大幅に増加できることを見出した（例えば、図４参照）。
これにより、これまでは実現されていなかった、低価格で大量に流通しているシリコン基板上に鉛フリーのＫＮＮ薄膜材料を用いた圧電薄膜素子において、ジャイロセンサに応用可能な特性を持たせることが可能となった。また、シリコン基板を用いているため、圧電薄膜素子用の半導体回路や、その他の用途の半導体回路・素子などを容易に集積化できる。
【００１６】
以下に、本発明に係る圧電薄膜素子の実施形態を図面を用いて説明する。
図１は、本実施形態の圧電薄膜素子の概略的な構造を示す断面図である。
この実施形態の圧電薄膜素子は、図１に示すように、Ｓｉ（単結晶）基板１上に、下部電極２と、ＫＮＮの圧電薄膜３と、上部電極４とが順次形成されている。
Ｓｉ基板１は、その表面が(１００)面の(１００)面Ｓｉ基板である。Ｓｉ基板１は、その表面に酸化膜（ＳｉＯ２膜）を形成して、下部電極２とＳｉ基板とを電気的に絶縁するようにしてもよい。
下部電極２は、ＫＮＮの圧電薄膜３を成膜させる重要な下地層となるので、電極材料にはＰｔ（白金）を用いるのが好ましい。本実施形態では、ＲＦマグネトロンスパッタリング法を用いてＰｔ薄膜からなる下部電極２を形成した。Ｓｉ基板１上に形成したＰｔ膜は、自己配向性のために（１１１）面方位に配向しやすい。なお、Ｓｉ基板１と下部電極２との間に、下部電極２の密着性を高めるために、Ｔｉ密着層を設けるのが好ましい。
上部電極４は、ＫＮＮの圧電薄膜３上に形成する電極であって、下部電極２のように圧電薄膜３の構造に大きな影響を与えるものではないので、電極材料は特に限定されないが、本実施形態では、下部電極２と同様に、ＲＦマグネトロンスパッタリング法によりＰｔ薄膜の上部電極４を形成した。
【００１７】
ＫＮＮの圧電薄膜３は、一般式（Ｋ１−ｘＮａｘ）ＮｂＯ３（０＜ｘ＜１）で表されるアルカリニオブ酸化物系ペロブスカイト構造の薄膜で形成される。組成比ｘ（＝Ｎａ／（Ｋ＋Ｎａ））は、０.５近傍の値とするのがよい。また、ＫＮＮ圧電薄膜３の（００１）面方位への配向率は８０％以上とするのが好ましい。ＫＮＮ圧電薄膜３の形成方法には、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＰＬＤ法、ゾルゲル法などが考えられるが、本実施形態では、ＲＦマグネトロンスパッタリング法を用いて形成した。Ｘ線回折パターン（２θ／θ）による、ＫＮＮ圧電薄膜３の（００１）面方位への配向率が８０％以上となるようＫＮＮ圧電薄膜を作製する。またＫＮＮ圧電薄膜に、タンタル（Ｔａ）、リチウム（Ｌｉ）、アンチモン（Ｓｂ）のいずれか、又はこれらの混合物を添加してもよい。
【００１８】
図１１は、Ｘ線回折パターン（以下、ＸＲＤと表記する場合もある）における入射Ｘ線、検出器、試料、走査軸の関係を示す概略図である。図１１における３つの走査軸は、一般的に、θ軸が試料軸、α軸があおり軸、β軸が面内回転軸と呼ばれている。また、本発明におけるＸ線回折は、すべてＣｕＫαによるものとする。
【００１９】
圧電薄膜（ＫＮＮ薄膜）の結晶粒配向状態に関する評価は、ＸＲＤにおいて、入射Ｘ線に対して試料と検出器をθ軸で走査し、試料の走査軸をθ、検出器の走査角を２θで走査する２θ／θ測定によって、圧電薄膜（ＫＮＮ薄膜）の表面で、どの結晶面が優勢であるのかが評価できる。
本明細書では、ＫＮＮ薄膜の（００１）面方位の配向率は、ＸＲＤの２θ／θ測定での２θの角度が、２０°≦２θ≦３８°の範囲の回折パターンにおいて、｛ＫＮＮ（００１）面の回折ピーク強度／全てのＫＮＮ結晶に起因する回折ピーク強度の総和｝×１００（％）の割合と定義する。
ＫＮＮ圧電薄膜の（００１）面方位への配効率（％）＝［Ｉ（００１）KNN／｛Ｉ（００１）KNN＋Ｉ（１１０）KNN｝]＊１００
ここで、Ｉ（００１）KNNはＫＮＮ（００１）面の回折ピーク強度を示し、Ｉ（１１０）KNNはＫＮＮ（１１０）面の回折ピーク強度を示す。
【００２０】
本発明では、２２.０１１°≦２θ≦２２.８９０°の範囲の回折ピークをＫＮＮ（００１）面の回折ピークと考えた。
ＫＮＮ薄膜の配向率を求めているので、Ｓｉ基板や下部電極に起因する回折ピークは除外している。２０°≦２θ≦３８°の範囲としたのは、ＫＮＮ（００２）面の回折ピークやＰｔ（１１１）面の回折ピークなどを明確に除外するためである。
また、圧電薄膜３の圧電定数ｄ３１の印加電界依存性は、｜圧電定数ｄ３１（印加電界７０ｋＶ／ｃｍ時）−圧電定数ｄ３１（印加電界７ｋＶ／ｃｍ時）｜／｜圧電定数ｄ３１（印加電界７０ｋＶ／ｃｍ時）｜の値で規定した。
【００２１】
図２に、圧電薄膜３の圧電定数ｄ３１の測定方法を示す。
図１のＳｉ基板１を短冊形に切り出して細長い圧電薄膜素子１０を作製した。次に、この圧電薄膜素子１０の長手方向の一端をクランプ２０で固定することで簡易的なユニモルフカンチレバーを構成した(図２（ａ））。この状態で上部電極４と下部電極２との間に電圧を印加し、ＫＮＮ圧電薄膜３を伸縮させることでカンチレバー（圧電薄膜素子１０）全体を屈曲動作させ、カンチレバーの先端（自由端）の上下方向（圧電薄膜３の膜厚方向）の変位量Δをレーザードップラ変位計２１で測定した（図２（ｂ））。
圧電定数ｄ３１はカンチレバー先端の変位量Δ、カンチレバーの長さ、基板１と圧電薄膜３の厚さとヤング率、印加電界（＝印加電圧／膜厚）から算出される（ｄ３１の算出に関する文献：I.Kanno, H.Kotera, and K.Wasa, Sens. Actuators A 107 (2003), 68,「Measurement of transverse piezoelectric properties of PZT thin films」参照）。
圧電定数ｄ３１の印加電界依存性は、上記カンチレバーの圧電薄膜３に印加される電界を変えて圧電定数ｄ３１を求めればよい。
圧電定数ｄ３１の印加電界依存性を示す｜｛圧電定数ｄ３１（印加電界７０ｋＶ／ｃｍ時）−圧電定数ｄ３１（印加電界７ｋＶ／ｃｍ時）｝｜／｜圧電定数ｄ３１（印加電界７０ｋＶ／ｃｍ時）｜の値は、電界７０ｋＶ／ｃｍ印加時の圧電定数ｄ３１の値と、電界７ｋＶ／ｃｍ印加時の圧電定数ｄ３１の値とから算出する。
【００２２】
圧電定数ｄ３１の印加電界依存性を示す上記値を０.２０以下にすることで、ＫＮＮ薄膜の圧電定数ｄ３１、特に低電界印加時（例えば、印加電界７ｋＶ／ｃｍ時）の圧電定数ｄ３１の値が著しく増加し（図４、図５など参照）、従来のＰＺＴ薄膜を用いたジャイロセンサと同様レベルのセンサ感度が実現される。
また、圧電定数ｄ３１の印加電圧依存性が小さいＫＮＮ圧電薄膜は、アクチュエータとして用いた場合に入力電圧（入力電界）と変位量との関係が比例に近い関係であるため余計な制御回路を不要にできるというメリットや、圧電特性が経時劣化しにくく長寿命であるというメリットもある。
また、ＫＮＮ薄膜の圧電定数ｄ３１の印加電界依存性を示す上記値が０.２０以下というのは、絶対値で表される値が０．２０以下ということである。（つまり、絶対値をはずした値がマイナスの場合（具体的には、後述の実施例４、実施例６の場合）も含まれる。）
【００２３】
圧電定数ｄ３１の印加電界依存性が小さいＫＮＮ薄膜は、ＫＮＮ薄膜の（００１）面方位の配向率を高めることで実現できる。ＫＮＮ圧電薄膜３の圧電定数ｄ３１の印加電界依存性を示す上記の値を０.２０以下に小さく抑えるには、ＫＮＮ圧電薄膜３の（００１）面方位の配向率を８０％以上にするのがよく、ＫＮＮ薄膜の（００１）面方位の配向率を高めるには、例えば、ＫＮＮ圧電薄膜３の下地となる下部電極２のＰｔ薄膜を（１１１）面方位に高配向にすることによって実現される。Ｐｔ薄膜を（１１１）面方位に高配向にするには、Ｐｔ薄膜の下のＴｉ密着層の厚さを薄くすること、Ｐｔ薄膜の成膜温度を高くすること、スパッタ成膜時の雰囲気のＯ２分圧を小さくすることなどで実現できる。
また、圧電定数ｄ３１の印加電界依存性が小さいＫＮＮ薄膜は、ＬａＮｉＯ３薄膜、ＮａＮｂＯ３薄膜、またはＫＮＮ圧電薄膜３の組成比ｘの値よりも大きな組成比を有するＮａリッチな（Ｋ，Ｎａ）ＮｂＯ３薄膜などの配向制御層を、Ｐｔ下部電極２とＫＮＮ圧電薄膜３の間に挿入することによっても実現される。
配向制御層は、下部電極２上に形成するＫＮＮ圧電薄膜３の（００１）面方位への配向率を高めるための層であり、例えば、Ｐｔ（１１１）面上にＫＮＮよりも（００１）面方位に配向しやすいＬａＮｉＯ３薄膜などの配向制御層を成膜しておけば、その上に成膜されるＫＮＮはより高い割合で（００１）面方位に配向されることになる。
【００２４】
図１に示す圧電薄膜素子の下部電極２と上部電極４の間に、少なくとも電圧検知手段を接続することでセンサが得られる。このセンサの圧電薄膜素子が何らかの物理量の変化に伴って変形されると、その変形に伴って電圧が発生するので、この電圧を検知することで各種物理量を検知することができる。また、図１に示す圧電薄膜素子の下部電極２と上部電極４の間に、少なくとも電圧印加手段を接続することでアクチュエータが得られる。このアクチュエータの圧電薄膜素子に電圧を印加して、圧電薄膜素子を変形することによって各種部材を動作させることができる。
センサとしては、例えば、ジャイロセンサ、超音波センサ、圧カセンサ、速度・加速度センサなどが挙げられる。また、アクチュエータは、例えば、インクジェットプリンタ、スキャナー、超音波発生装置などに用いることができる。
【００２５】
以下に、本発明の実施例及び比較例を説明する。
図３に、実施例１〜４および比較例１〜６の圧電薄膜素子の概略断面構造を示す。圧電薄膜素子は、Ｓｉ基板１１（その表面にはＳｉＯ２膜１２が形成されている）上に、Ｔｉ密着層１３、Ｐｔ下部電極１４、（Ｋ０.５Ｎａ０.５）ＮｂＯ３圧電薄膜１５、およびＰｔ上部電極１６を順次形成したものである。
【００２６】
次に、実施例１〜４の圧電薄膜素子の作製方法を述べる。
Ｓｉ基板１１には、熱酸化膜付きＳｉ基板（（１００）面方位、厚さ０.５ｍｍ、サイズ４インチ円形、表面に熱酸化によるＳｉＯ２膜（膜厚０.５μｍ））を用いた。まず、Ｓｉ基板１１上に、ＲＦマグネトロンスパッタリング法で、Ｔｉ密着層（膜厚１〜３ｎｍ）１３、Ｐｔ下部電極（（１１１）面単独配向、膜厚０.２μｍ）１４を形成した。Ｔｉ密着層１３とＰｔ下部電極１４は、基板温度３５０〜４００℃、放電パワー２００Ｗ、導入ガスＡｒ／Ｏ２雰囲気（Ａｒ／Ｏ２＝９９／１〜１００／０）、圧力２.５Ｐａで、Ｔｉ密着層１３は成膜時間１〜３分、Ｐｔ下部電極１４は成膜時間１０分の条件で成膜した。
続いて、Ｐｔ下部電極１４の上に、ＲＦマグネトロンスパッタリング法で（Ｋ０.５Ｎａ０.５）ＮｂＯ３薄膜１５を３μｍ形成した。（Ｋ０.５Ｎａ０.５）ＮｂＯ３薄膜１５は、組成比（Ｋ＋Ｎａ）／Ｎｂ＝１.０、Ｎａ／（Ｋ＋Ｎａ）＝０.５の（Ｋ，Ｎａ）ＮｂＯ３焼結体をターゲットに用い、基板温度６００℃、放電パワー１００Ｗ、導入ガスＡｒ雰囲気、圧力０.４Ｐａの条件で成膜した。成膜時間は４時間００分とした。
更に、（Ｋ０.５Ｎａ０.５）ＮｂＯ３薄膜１５の上にＰｔ上部電極（膜厚０.０２μｍ）１６をＲＦマグネトロンスパッタリング法で形成した。Ｐｔ上部電極１６は、基板加熱なし、放電パワー２００Ｗ、導入ガスＡｒ、圧力２.５Ｐａ、成膜時間１分の条件で成膜した。
【００２７】
次に、比較例１〜６の圧電薄膜素子の作製方法を述べる。
Ｓｉ基板１１には、実施例１〜４と同じ熱酸化膜付きＳｉ基板を用いた。まず、Ｓｉ基板１１上にＲＦマグネトロンスパッタリング法で、Ｔｉ密着層（膜厚５〜１０ｎｍ）１３、Ｐｔ下部電極（（１１１）面単独配向、膜厚０.２μｍ）１４を形成した。Ｔｉ密着層１３とＰｔ下部電極１４は、基板温度２５０〜３５０℃、放電パワー２００Ｗ、導入ガスＡｒ／Ｏ２雰囲気（Ａｒ／Ｏ２＝９０／１０〜９８／２）雰囲気、圧力２.５Ｐａで、Ｔｉ密着層１３は成膜時間５〜１０分、Ｐｔ下部電極１４は成膜時間１０分の条件で成膜した。
次いで、Ｐｔ下部電極１４の上に、ＲＦマグネトロンスパッタリング法で（Ｋ０.５Ｎａ０.５）ＮｂＯ３圧電薄膜（膜厚３μｍ）１５とＰｔ上部電極（膜厚０.０２μｍ）１６を形成した。（Ｋ０.５Ｎａ０.５）ＮｂＯ３圧電薄膜１５とＰｔ上部電極１６の成膜条件は、上記実施例１〜４と同一である。
【００２８】
図５に、実施例１〜４と比較例１〜６に対する、Ｐｔ（Ｐｔ下部電極１４）／Ｔｉ（Ｔｉ密着層１３）の成膜条件を示す。実施例１〜４では、Ｐｔ薄膜の（１１１）面方位を高配向にするために、比較例１〜６よりも、Ｔｉ密着層の厚さを薄くし、Ｐｔ薄膜の成膜温度を高くし、スパッタ成膜時の雰囲気のＯ２分圧を小さくしている。
【００２９】
また、（Ｋ０.５Ｎａ０.５）ＮｂＯ３圧電薄膜（ＫＮＮ圧電薄膜）１５の配向状態を調べるために、Ｐｔ上部電極１６を形成する前の、ＫＮＮ圧電薄膜１５が露出した状態の実施例１〜４と比較例１〜６に対して、Ｘ線回折測定（２θ／θ測定）を行った。図６に、比較例１〜６の一例として、比較例１のＸ線回折パターンの測定結果を、図７に、実施例１〜４の一例として、実施例１のＸ線回折パターンの測定結果を示す。
図６と図７を比較すると、ＫＮＮ圧電薄膜１５の（００１）面方位の配向は、実施例１の方が比較例１よりも大幅に向上していることが分かる。
図５に示す実施例１〜４と比較例１〜６における、ＫＮＮ薄膜の（００１）面方位の配向率では、実施例１〜４のＫＮＮ薄膜の（００１）面方位の配向率が８０％以上の高配向となっている。
【００３０】
また、実施例１〜４と比較例１〜６の圧電薄膜素子に対して、圧電定数ｄ３１の測定を行った。測定方法は、上述した図２に示す方法を用いた。カンチレバーを構成する圧電薄膜素子には、長さ２０ｍｍ、幅２.５ｍｍの短冊形の圧電薄膜素子を作製した。ＫＮＮ圧電薄膜１５のヤング率には、１０４[ＧＰａ]を用いた。
図４に、実施例１〜４と比較例１〜６の圧電薄膜素子の圧電定数ｄ３１の印加電界依存性を示す。また、図５に、圧電定数ｄ３１傾き（｛ｄ３１（７０ｋＶ／ｃｍ印加時）−ｄ３１（７ｋＶ／ｃｍ印加時）｝／ｄ３１（７０ｋＶ／ｃｍ印加時）の値）と、ｄ３１（７ｋＶ／ｃｍ印加時）の値と、ｄ３１（７０ｋＶ／ｃｍ印加時）の値とを示す。（絶対値表記せず。）
例えば、図５の実施例１の圧電定数ｄ３１傾きは、｛ｄ３１（７０ｋＶ／ｃｍ印加時）−ｄ３１（７ｋＶ／ｃｍ印加時）｝／ｄ３１（７０ｋＶ／ｃｍ印加時）＝（７９[−ｐｍ／Ｖ]−６３[−ｐｍ／Ｖ]）／（７９[−ｐｍ／Ｖ]）＝０.２、と求められる。
また、従来例（文献：Y.Nakashima, W.Sakamoto, H.Maiwa, T. Shimura, and T.Yogo, Jpn. J. Appl. Phys., 46(2007), L311）として、Ｓｉ基板上に形成されたＫＮＮ膜の圧電定数ｄ３１のデータも図４、図５に併せて示した。従来例は、これまでに論文等で発表されたＳｉ基板上のＫＮＮ膜では、圧電定数が最も高いと思われる値を示すもので、ＫＮＮ膜は化学溶液堆積法（chemical solution deposition：ＣＳＤ法）で成膜されている。
また、従来例のＫＮＮ膜の配向は、（００１）配向と（１１０）配向とが半々程度である。従来例では、ｄ３３＝４６ｐｍ／Ｖと報告されており、ここでは、ｄ３１＝−ｄ３３／２であると仮定して、ｄ３１＝−２３ｐｍ／Ｖとした。
【００３１】
図４及び図５から明らかに、実施例１〜４のように、圧電定数ｄ３１の印加電界依存性
を示す｜｛ｄ３１（７０ｋＶ／ｃｍ印加時）−ｄ３１（７ｋＶ／ｃｍ印加時）｝｜／｜ｄ３１（７０ｋＶ／ｃｍ印加時）｜の値を０.２以下、又は、ＫＮＮ（００１）面方位の配向率を８０％以上にすることにより、圧電定数ｄ３１、殊に低電界印加時の圧電定数ｄ３１の値が大幅に向上していることが分かる。
【００３２】
以下に、図８に示す断面構造の実施例５〜８の圧電薄膜素子について述べる。
実施例５〜８の圧電薄膜素子は、図８に示すように、Ｓｉ基板１１（その表面にはＳｉＯ２膜１２が形成されている）上に、Ｔｉ密着層１３、Ｐｔ下部電極１４、配向制御層１７、（Ｋ０.５Ｎａ０.５）ＮｂＯ３圧電薄膜１５、Ｐｔ上部電極１６を順次形成したものである。
【００３３】
次に、実施例５〜８の圧電薄膜素子の作製方法を述べる。
Ｓｉ基板１１には、上記実施例１〜４と同一の熱酸化膜付きＳｉ基板を用いた。まず、このＳｉ基板１１上に、ＲＦマグネトロンスパッタリング法で、Ｔｉ密着層（膜厚２ｎｍ）１３、Ｐｔ下部電極（（１１１）面単独配向、膜厚０.２μｍ）１４を形成した。Ｔｉ密着層１３とＰｔ下部電極１４は、基板温度４００℃、放電パワー２００Ｗ、導入ガスＡｒ雰囲気、圧力２.５Ｐａで、Ｔｉ密着層１３は成膜時間２分、Ｐｔ下部電極１４は成膜時間１０分の条件で成膜した。
続いて、Ｐｔ下部電極１４の上に、ＲＦマグネトロンスパッタリング法で配向制御層（膜厚２００ｎｍ〜３００ｎｍ）１７を成膜した。配向制御層１７としては、実施例５ではＬａＮｉＯ３薄膜（膜厚２００ｎｍ）、実施例６ではＬａＮｉＯ３薄膜（膜厚３００ｎｍ）、実施例７ではＮａＮｂＯ３薄膜（膜厚２００ｎｍ）、実施例８では（Ｋ０.２Ｎａ０.８）ＮｂＯ３薄膜（膜厚２００ｎｍ）を用いた。実施例５および実施例６ではＬａＮｉＯ３の焼結体、実施例７ではＮａＮｂＯ３の焼結体、実施例８では（Ｋ０.２Ｎａ０.８）ＮｂＯ３の焼結体をそれぞれターゲットとして用いて、基板温度６００℃、放電パワー１００Ｗ、導入ガスＡｒ雰囲気、圧力０.４Ｐａの条件で成膜した。
更に、配向制御層１７の上に、ＲＦマグネトロンスパッタリング法で（Ｋ０.５Ｎａ０.５）ＮｂＯ３薄膜（膜厚３μｍ）１５とＰｔ上部電極（膜厚０.０２μｍ）１６を形成した。（Ｋ０.５Ｎａ０.５）ＮｂＯ３薄膜１５とＰｔ上部電極１６の成膜条件は、上記実施例１〜４と同一である。
【００３４】
この実施例５〜８においても、実施例１〜４の場合と同様に、Ｘ線回折測定（２θ／θ測定）を行って、ＫＮＮ薄膜１５の（００１）面方位の配向率を求めた。また、実施例１〜４と同様にして、圧電定数ｄ３１を測定した。
図９に、実施例５〜８のＫＮＮ薄膜の（００１）面方位の配向率と、圧電定数ｄ３１の測定結果を示す。また、図１０に、実施例５〜８の圧電定数ｄ３１の印加電界依存性を示す。
【００３５】
実施例５〜８では、配向制御層１７を挿入することで、図９、図１０に示すように、ＫＮＮ（００１）面方位の配向率が９３％以上と高配向で、圧電定数ｄ３１の印加電界依存性を示す｜ｄ３１（７０ｋＶ／ｃｍ印加時）−ｄ３１（７ｋＶ／ｃｍ印加時）｜／｜ｄ３１（７０ｋＶ／ｃｍ印加時）｜の値が０.１１以下と小さくなっており、ｄ３１（印加電界７ｋＶ／ｃｍ印加時）も高い値を示すことが分かった。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明の実施形態に係る圧電薄膜素子を示す模式断面図である。
【図２】圧電薄膜素子の圧電定数ｄ３１の測定方法を説明する概略図である。
【図３】実施例１〜４及び比較例１〜６に係る圧電薄膜素子を示す模式断面図である。
【図４】実施例１〜４及び比較例１〜６の圧電定数ｄ３１の印加電界依存性を示すグフである。
【図５】実施例１〜４と比較例１〜６における、Ｐｔ／Ｔｉの成膜条件、ＫＮＮ薄膜（００１）面方位の配向率、圧電特性を表形式で示す図である。
【図６】比較例１の圧電薄膜素子のＸ線回折パターンの測定結果を示すグラフである。
【図７】実施例１の圧電薄膜素子のＸ線回折パターンの測定結果を示すグラフである。
【図８】実施例５〜８に係る圧電薄膜素子を示す模式断面図である。
【図９】実施例５〜８における、配向制御層、ＫＮＮ薄膜の（００１）面方位の配向率、圧電特性を表形式で示す図である。
【図１０】実施例５〜８の圧電定数ｄ３１の印加電界依存性を示すグラフである。
【図１１】Ｘ線回折における入射Ｘ線、検出器、試料、走査軸の関係を示す概略図である。
【符号の説明】
【００３７】
１  Ｓｉ基板
２  下部電極
３  ＫＮＮ圧電薄膜
４  上部電極
１０  圧電薄膜素子
１１  Ｓｉ基板
１２  ＳｉＯ２膜
１３  Ｔｉ密着層
１４  Ｐｔ下部電極
１５  （Ｋ０.５Ｎａ０.５）ＮｂＯ３圧電薄膜（ＫＮＮ圧電薄膜）
１６  Ｐｔ上部電極
１７  配向制御層
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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